草坪喷灌系统的设计、管理与维护以及灌溉自动控制

草坪喷灌系统

摘要：本文简要介绍了草坪喷灌的特殊性，并重点对草坪喷灌系统的设计、管理与维护以及灌溉自动控制进行了研究，最后对高尔夫球场喷灌近要介绍。

草坪是指在有规律的维护下形成的一种人工植被。近几十年来，国外草坪建设和研究有了很大的发展，在北美、欧洲等一些发达国家，草坪已成为一项专业产业。实践证明草坪可美化环境，净化空气，减少噪音，保持水土，并可为人们运动休闲提供安全舒适的场所。自80年代以来，基本建设、体育事业和城市绿化以前所未有的速度发展着，对草坪的需求越来越强烈，越来越多的人认识到草坪对于城市绿化及其发展的重要性。草坪的质量与数量在一定程度上反映了一个城市现代化的面貌。近几年来，我国在体育场、住宅区、公园、娱乐区、工厂、学校、高尔夫球场等地已大量种植了草坪，可以说草坪在我国发展迅猛近几年来，它的重要性和喷灌面积将与农业喷灌并驾齐驱，已成为城市绿化的主要形式。据不完全统计，到1995年，在全国500个城市中，草坪面积有6000多万hm2，北京市现有草坪3000hm2，而且每年以150多hm2的速度扩展。大连市每年新增240多hm2，上海市也以每年增加230hm2的速度迅速改变着城市面貌。国外草坪的灌溉管理绝大部分采用喷灌系统，由于经济、技术等原因，目前我国的草坪灌溉还主要以人工地面灌溉为主，不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度，对草坪的正常生长产生不良影响。随着城镇建设的不断发展，城市人口大量集中，工业和生活用水迅速增加，旅游、休闲、运动场及居民小区等各种绿地面积越来越大，城市供水的紧张状况日益突出。传统的地面大水漫灌已不能满足现代草坪灌溉的要求，采用高效的灌水方式势在必行。喷灌，以其节水、节能、省工和灌水质量高等优点，越来越被人们所认识。近年来草坪喷灌发展很快，有逐步取代人工地面灌溉的趋势。

1.草坪灌溉的特殊性

草坪的色泽、质量与灌水有密切关系。适宜的灌溉在维持草坪美观与可运动性方面有很重要的作用。适宜灌溉能促进草坪正常生长，提高茎叶韧度及抗踩性，增加草坪密度和促使草坪色泽更加美观；灌溉不足则使草根变浅，修剪不易，且密度下降，易让杂草入侵蔓延。然而，灌溉过度，草坪过于潮湿，使草生长纤弱，对于人工及天然的伤害较敏感，抗逆性差。与农作物喷灌相比较，草坪喷灌具有以下主要特点：

(1)草坪是为改善环境、增加美感、陶冶情操等目的而栽植的，因此，要求它们最好常年生长皆绿，每年只需修剪而不需种植。另外，草皮使土壤渗吸速度降低，要求采用少量频灌法喷灌，而且为了节约劳力和资金、提高喷灌质量和适应多在夜晚喷灌的要求，草坪喷灌大多采用自动化控制固定式喷灌系统。

(2)要求水质和喷洒质量更严格，特别是高尔夫球场的草皮要求喷灌均匀度高，如有漏喷或喷洒过量都会造成严重损失。Synder[30]和Brownetal[31]分别提出California和Arizon2个系统灌溉方法，通过建立反馈系统以指导灌溉，该反馈系统是以草坪草品种的蒸散量为基础，为正确灌溉提供科学依据.有资料表明，土壤水保持在田间最大持水量的50%-55%时，草坪才可以正常生长发育，所以灌溉的主要目的是保持田间水分适宜，以维持草坪草良好的生长发育。而常用的间断灌水或排水及其数量依据是看草察土法与蒸发皿法。一般在生长季节，灌水的总量以湿润土壤6-10cm为宜，冬灌则需湿润20-25cm。

(3)通常都在固定边界内喷灌，水源多采用低压的自来水，所以要求用小型喷头，且要求喷头的喷洒形式和射程有较强的适应性能。

(4)灌溉的最佳时间在无风或微风、低温度的夜间或清晨，用小孔喷雾或喷头喷灌，切忌暴雨或漫灌，灌水速度不要超过土壤渗水速度，避免积水。而且草坪在白天喷灌时，杂乱的草皮使蒸发损失增大，一般夜晚喷灌能比白天少消耗10%以上的水量。在定期喷洒杀菌剂的高尔夫球场，最好在夜间灌溉，这样在第2天上午打球的人和体育设施进入草坪场之前，有更多的时间排水。

2.草坪喷灌系统设计

草坪喷灌系统设计是通过各设计环节，采取各种措施来确保各技术要求。喷灌系统的设计必须适应草坪的特点，才能满足其需水要求，保证正常生长。喷灌设备的安装不能影响草坪的维护作业，草坪需要经常性的修剪、植保、施肥等，这些作业往往由机械完成，因此，除应选择草坪专用埋藏式喷头外，同时需精心施工，使之避免与草坪上的机械作业发生矛盾。设备选型和管网布置应适应草坪的种植方式。

由于景观的需要，园林绿化中草坪的种植地块很多不是规则的形状，如高尔夫球场，且有时同一工程中的不同地块呈零星分布，增加了喷灌系统中设备选型和管网布置的难度。

灌水管理应与草坪病害防治结合起来，很多草坪病害，特别是真菌类病害与草坪叶面和土壤湿度关系密切。在灌水管理中，制定合理的灌溉制度，包括灌水周期、灌水时间、灌水延续时间等，对控制草坪病害十分重要。喷灌系统在满足草坪需水要求的同时，需充分注意景观和环境效果。精心设计的喷灌系统，通过正确选择喷头和进行喷点的布置，不仅能满足草坪需水，而且在灌水时可以形成水动景观效果。其主要内容有以下几个方面。

(1)勘测和搜集基本资料。包括地形、土壤、气象、水源、动力等资料，这些是进行草坪喷灌系统规划设计必不可少的基本资料。

(2)确定喷灌区域，计算其用水量和规划水源工程。根据地形、土壤、水源等条件，确定喷灌区域的面积和范围。在总结当地喷灌经验的基础上，参考各地草坪喷灌试验资料，拟定草坪喷灌制度包括灌溉额、灌水定额、灌水次数、灌水时间等)，并计算灌区的喷灌用水量。在搞清水源流量的基础上，与当地水利规划统筹安排，因地制宜地规划必要的水源工程，以确保喷灌所需用水量。

(3)选择草坪喷灌系统的类型，并进行技术经济的比较。喷灌类型很多，各类系统都有其适用的条件，针对草坪喷灌，必须根据当地实际情况，对可能选择的几种类型加以分析比较，因地制宜地选定系统类型，并确定喷洒方式和喷头组合形式。

(4)选择适宜的喷灌设备，布置输水系统。在系统类型选定之后，开始选择喷灌设备，然后考虑水源位置、地块形状、地形变化、风向风速等因素，对输水系统进行初步布置，并进行水力损失校核计算。

(5)统计工程量及各类设备的型号、用量，编制投资概算，并估计工程效益。针对规划设计的不同情况，以上的主要内容可以有所变动。

一个完整的喷灌系统一般由喷头、管网、首部和水源组成。

（1）喷头，喷头是喷灌系统最重要的部件，压力水经过它喷射大空中，散成细小水滴并均匀地喷洒在草坪种植区域。喷灌系统设计中喷头的选型和布置方式是关系到整个灌溉系统灌水质量关键因素。选择喷头时，除需考虑其本身的性能，如喷头的工作压力、流量、射程、组合喷灌强度、喷洒扇形角度可否调节之外，还必须同时考虑诸如土壤的允许喷灌强度、地块大小形状、草坪品种、水源条件、用户要求等因素。另外，同一工程或一个工程的同一轮灌组中，最好选用一种型号或性能相似的喷头，以便于灌溉均匀度的控制和整个系统的运行管理。在已建项目中，有的为片面追求水景效果，安装了各种性能截然不同的喷头，致使灌溉均匀度无法保证。

对于草坪灌溉不但要求起灌溉节水也主要起美化作用的草坪灌溉，所选用的喷头不喷水时应尽量少暴露或不暴露于地面之上，喷洒均匀度要比较高，且能方便地调整喷射角度和射程大小，以适应复杂多变的地形，同时喷形别致，组合后的水景壮观，能与整个景观协调一致。目前，一般草坪灌溉均选用地埋藏式草坪专用喷头。这类喷头平时隐藏于地下，喷水时才露出地面，停水后自动缩回，不防碍修剪和人的行走，安全性好，又不影响草坪外观。喷灌系统中喷头的布置包括喷头的组合形式、喷头沿支管上的间距及支管间距等。喷头布置的合理与否，直接关系到整个系统的灌水质量。喷头的组合形式主要取决于地块形状以及风的影响，一般为矩形和三角形，或为其特例正方形和正三角形。矩形或正方形布置，适用于地块规则，边缘成直角的条件。这种形式设计简便，容易做到使各条支管的流量比较均衡；三角形或正三角形布置，适用于不规则地块，或地块边界为开放式，即使喷洒范围超出部分边界也影响不大的情况。这种布置抗风能力较强，喷洒均匀度要高于矩形或正方形，同时所用喷头的数量相对较少，但不易作到使各条支管的流量均衡。有时地块形状十分复杂，或地块当中有障碍物，使喷头的组合形式为不规则形。但在多数草坪喷灌系统中，可尽量采用正方形或正三角形布置。

（2）管网，管网的作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的草坪种植区域。由不同管径的管道组成，分干管、支管、毛管等，通过各种相应的管件、阀门等设备将各级管道连接成完整的管网系统。对于管材选择总的要求是能承受设计的压力，水力损失小且安装方便，现代灌溉系统的管网多采用施工方便、水力学性能良好且不会锈蚀的塑料管道，如PVC管、PE管等。同时，应根据需要在管网中安装必要的安全装置，如进排气阀、限压阀、泄水阀等。

（3）首部，首部作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注入和系统控制。一般包括动力设备、水泵、过滤器、施肥器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、衡压变频控制装置等。首部设备的多少，可视系统类型、水源条件及用户要求有所增减。如在利用城市供水系统作为水源的情况下，若压力基本达到要求的话，为节省投资，往往不需要加压水泵。但这并不等于设计工作的简化，因为由于大部分自来水管网压力的不稳定性，对设计工作反而提出了更高的要求，因为我们将面对在工作压力复杂多变的情况下达到喷灌的设计质量要求。有时由于自来水压力不够，可考虑选用管道泵，但同样也产生上述问题。因此，我们认为喷灌系统建立一套独立的水泵枢纽部分是很有必要的。另外，要尽量选用潜水泵，以有利于管理和减少附属建筑物。其它选泵中应注意的问题，与农业喷灌一样，在此不再赘述。

（4）水源：井泉，湖泊、水库，河流及城市供水系统均可作为喷灌水源。在草坪的整个生长季节，水源应有可靠的供水保证。同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。由于草坪一般位于市区，故水源很大一部分来自自来水系统，但有很多公园或城郊的草坪应用井水、湖水或蓄水池。对水源进行规划时，主要从水质和水量上来考虑。符合农田灌溉水质标准的水无疑可用于草坪喷灌，另外经处理后的城市生活污水也可作为灌溉水源，但应注意水中有毒元素的含量，若浓度太高则不能用于草坪灌溉。另外重要的一点，由于目前大多数草坪专用喷头结构比较精密，出水口一般较小，其抗堵塞能力较农用喷头小得多，沙粒或有机物等杂质进入其内部后，又很难清除，所以所用水源必须洁净而无泥沙、杂草及有机物等杂质，以避免引起喷头的堵塞，因此草坪喷灌系统安装过滤装置是十分必要的。山东某厂一处3万多m2投资数十万元的草坪喷灌工程，就是因为应用的水源含杂质太多，又没有安装过滤装置，系统投入使用后不到一个月，大部分喷头就已堵塞，进而很快引起转动失灵，导致整个系统瘫痪。就水量而言，要满足系统的喷灌强度及总的灌水量要求。特别是对于水井，最好进行抽水实验，确定井的涌水量、静水位及动水位的指标，同时还要充分考虑季节性的变化问题，要避免使用旱季干枯的水井。

3.草坪喷灌地埋式喷头的维护

灌溉系统投入使用后，对系统的各个组成部分进行适时、正确维护，对整个系统的有效运行，避免水的浪费，保证草坪正常生长和延长系统寿命是十分必要的。其中，草坪喷头的维护是系统维护的重要组成部分，需要进行定期的检查和维护。只要管理和维护人员认真按照正确的步骤并使用合适的工具进行操作，地埋式旋转草坪喷头的维护并不困难。北方寒冷地区，由于非灌水期较长，一般每年在春季开始灌水之前对灌溉系统进行一次检查即可。而在南方地区，因灌水期较长，甚至全年均需灌水，所以通常要求每年至少对灌溉系统进行两次检查。对灌溉系统进行检查时，应主要检查每个喷头喷洒角度设置是否正确、喷头旋转是否正常、是否有草叶、草根等杂物影响喷头正常工作、喷嘴是否磨损、密封圈处是否漏水等，有时也会发现喷头壳体破裂和喷头内置滤网堵塞的情况。维护人员只要对每个喷头的运行情况仔细观察，上述这些问题大多数都不难发现与解决。

（1）喷洒角度的调整。确认每个可调角度喷头的喷洒角度是否都设置在正确的范围内。有时儿童、好奇的人或有意而为的人会将原来设置好的喷头的喷洒角度改变。在这种情况下，需按照制造厂商要求的方法，将喷洒角度重新调整到正确位置。

（2）喷头的旋转情况。在观察调整喷洒角度同时，检查每个喷头是否正常旋转也是非常重要的。若发现有的喷头不能旋转，应及时用同型号或性能相似的喷头和喷嘴更换。

（3）杂物的清除。随着草坪的生长，在喷头安装部位积累的杂物会越来越多。这些杂物多为腐败的草叶、草根等有机物。如果草坪的叶片和杂物已影响到从喷嘴喷出的水流，则需要剪草，或将喷头处的杂物清除。对于喷头安装时间较长的系统，喷头可能发生沉降，使杂物易于积累。这时就需要把喷头处挖开，增加一段连接管，将喷头调整到合适的高度。

（4）喷嘴磨损。如果喷嘴磨损严重，会使喷头的射程明显减少，喷出的水流也会不够光滑。这种情况多发生在老旧的系统，以及管网中有杂质，或水源含砂量较高的系统中。发现磨损严重的喷嘴时，需用同型号喷嘴更换。

（5）密封圈磨损。当发现在喷头升降柱与顶盖之间有水流出现时，应该考虑密封圈可能已经磨损。但也有时在升降柱与顶盖之间的水流不太明显，而只是微弱的渗漏。这时就需要更换密封圈或整个顶盖。有的喷头可以单独更换密封圈，而另外一些喷头，密封圈与顶盖是一体的，在密封圈磨损时需更换整个顶盖。

（6）壳体破裂。若喷头壳体的裂纹不大，可能不太容易被发现。一般在喷头壳体破裂时，在此喷头附近会出现不正常的湿润区域。壳体的破裂大多发生在临近道路的草坪边缘，其主要原因是误驶入草坪的车辆易对喷头产生损害。在北方寒冷地区，有时由于冬季对灌溉系统的管理不当，也会造成喷头壳体的破裂。发现喷头壳体破裂时，唯一的解决办法是更换壳体。但需要注意的是，在壳体破裂的同时，很可能喷头的升降柱或其内部的驱动机构也会损坏。这种情况下，就要更换整个喷头。

（7）滤网堵塞。地埋式旋转草坪喷头一般均配有滤网，以减少杂质堵塞喷嘴和损坏内部机构的可能性。当被滤网挡住的杂质较多时，会使滤网堵塞，造成喷头处的压力过低，流量和射程减小。喷头滤网堵塞的原因，除水源水质较差外，多为系统管网破裂时较多的杂质进入管道，或藻类等有机物在滤网出积累。处理滤网堵塞的问题，首先需将喷头的升降柱取出，把滤网清洗干净；然后，应将有杂质的管道进行冲洗，但在冲洗管道的过程中，要特别注意防止新的杂质进入管道。在水源水质差的情况下，则需要在系统首部增加过滤系统。地埋式旋转草坪喷头的维护，应作为整个灌溉系统日常维护保养工作的重要内容之一。毫无疑问，对喷头进行及时和精心的检查、调整与维修，对保证灌溉系统处于良好的运行状态，延长系统的使用年限，并保持草坪的健壮、美观起到重要作用。

4.草坪灌溉的自动控制

随着经济的发展，对草坪绿化工程水平的要求越来越高。同时，为进一步解决水资源、能源的短缺和人工成本增加等问题，越来越多的草坪绿化工程采用自动控制灌溉系统。自动控制的目的是使生产或其他过程按照人们编制的工作程序自动进行，当被控制的对象运行时，无需人的直接参与。按结构形式的不同，自动控制分为开环和闭环两种；自动控制系统

中具有反馈信号，称为“闭环系统”，否则就叫做“开环系统”。同样，自动灌溉系统也分为闭环控制灌溉系统和开环控制灌溉系统；需要指出，无论闭环还是开环控制灌溉系统，均为全自动灌溉系统，亦即实现了机组（或主阀门）、过滤器自冲洗和管网水流分配的全过程自动控制。在草坪灌溉中普遍应用的中央计算机控制系统是典型的闭环控制灌溉系统，而时序控制系统为典型的开环控制灌溉系统。

（1）时序控制灌溉系统。时序控制灌溉系统将灌水开始时间、灌水延续时间和灌水周期作为控制参量，实现整个系统的自动灌水。其基本组成包括：控制器、电磁阀，还可选配土壤水分传感器、降雨传感器及霜冻传感器等设备。其中控制器是系统的核心。

灌溉管理人员可根据需要将灌水开始时间、灌水延续时间、灌水周期等设置到控制器的程序当中，控制器既通过电缆向电磁阀发出信号，开启或关闭灌溉系统。控制器的种类很多，可分为机电式和混合电路式，交流电源式和直流电池操作式等。其容量有大有小，最小的控制器只控制单个电磁阀，而最大的控制器可控制上百个电磁阀。电磁阀一般为交流24伏隔膜阀，通过电缆与控制器相连。电磁阀启闭时有一定时间的延迟，这一特性可有效防止管网中的水击现象，保护系统安全。目前国内的自动控制灌溉系统，基本上均为时序控制灌溉系统。

（2）中央计算机控制灌溉系统。中央计算机控制灌溉系统，将与植物需水相关的气象参量（温度、相对湿度、降雨量、辐射、风速等）通过自动电子气象站反馈到中央计算机，计算机会自动决策当天所需灌水量，并通知相关的执行设备，开启或关闭某个子灌溉系统。在中央计算机控制灌溉系统中，上述时序控制灌溉系统可作为子系统。山东华胜物联网科技公司开发的“山东智慧农业”中央计算机控制灌溉系统，可通过有线、无线、光缆、电话线等方式对无限量的子系统实现计算机远程控制，如对小到一个公园、大到一个城市甚至几个城市的所有园林灌溉系统，均可由一台中央计算机进行自动控制。这种中央计算机控制灌溉系统是真正意义上的自动灌溉系统，目前在很多发达国家的园林绿地灌溉系统，以及高尔夫球场的灌溉系统中已被广泛采用。

5.高尔夫球场草坪灌溉

高尔夫球是一项古老的体育运动项目，经过几个世纪的发展，高尔夫球现已成为一种风靡世界的体育运动。高尔夫作为一项高尚运动已赢得了人们越来越多的喜爱和注意。近十几年来，高尔夫球场在中国迅速崛起，据中国高协预测：今后5年内国内将兴建球场逾百家。

据最新资料统计:珠江三角洲已有球场50多家，深圳地区已接近10家。然而，由于高尔夫运动在我国发展的历史并不长，各项运作正处于初期阶段，尤其是球场的灌溉尚无有效的技术指导，自行设计高尔夫球场也只是近几年才开始的事。目前，我国还没有一部关于高尔夫球场喷灌系统的设计规范，当前的设计往往参考国内外相关理论资料及工程实例数据进行操作。

高尔夫球场不同于一般的运动场，占地面积大，投资大，管理、维护复杂。其形状及大小千变万化，无标准可言。尤其是签名球场（SignatureCourse），对灌溉系统的要求更高，对灌溉系统的均匀度要求极高，并要求自动控制。

高尔夫球场的正规场地由18个洞穴组成，也有9个或36个或更多的，球场面积一般为49-81hm2。每个洞穴由4个主要部分组成，即发球区（开球区，Tee），球道（Fairway）障碍区（高草区，Rough）和球穴区（球盘区，果领，Green）。高尔夫球场需要喷灌的区域有:果岭、发球台、球道及长草区(包括花草、灌木)等。其中果岭、发球台、球道是周期性需水的重点，三者又以果岭为甚。高尔夫球场喷灌系统设计的优劣与否，将直接影响将来的草坪质量以及球场的整体环境效果。

高尔夫球场灌溉设计最关键的在于喷头的选择与布置，喷头必须选用高尔夫球场专用喷头。雨鸟的EAGLE系列喷头、Hunter的Golf系列喷头均为高尔夫球场专用。这些喷头是厂家针对高尔夫球场的特殊要求设计、制造的。可满足球场不同部位喷水要求。且具有喷洒均匀，强度高，可抵御球车震动、碾压等性能。还应该根据不同部位应选择不同喷头：

（1）发球台（Tee），一般选择小射程喷头。小的发球台布置一个喷头即可。大的可布置两个。喷头不得布置在发球台内。

（2）球道(Fairway)，球道通常布置较大射程喷头。可在中线布置一排喷头，也可布置两排或多排喷头，取决于球道宽度及喷头射程。

（3）果岭（Green），果岭对喷灌的要求极高。喷头选择及布置要特别小心：一个果岭至少需要4个喷头，除非果岭特别小（小于275平方米）；果岭喷头的射程至少应覆盖果岭横向尺寸的75%；果岭喷头不得布置于果岭中间；建议采用带电磁阀喷头（VIH）；如采用不带电磁阀喷头，应选用带止溢喷头（SAM），以防止高处喷头中的水流到低处，从低处喷头中溢出；所有果岭喷头应当装配压力调节器；喷头间距不应大于射程，风大地区应考虑风的影响，使间距小于射程；通常选用全圆喷头；建议在果岭两侧安装两个快速连接阀以作补水用。